Detektoren - CERN Indico
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Detektoren Frank Hartmann Institut für Experimentelle Kernphysik Überblick • Wechselwirkungg --- Teilchennachweis • Bestimmung der Teilcheneigenschaften – Teilchenphysik • HEP Detektoren – Spurdetektoren – Energiebestimmung – Teilchenidentifizierung – „Multipurpose“ (Vielzweck-) Detektoren – Infrastruktur 2 Wechselwirkungen Eigenschaften NACHWEIS Teilchen können nicht “direkt” gesehen/gemessen werden. Nur das Resultat einer Wechselwirkung mit dem Detektor(material) kann beobachtet werden! Schlussendlich wird alles konvertiert in • Optische Bilder 3 • Strom oder Spannungssignale Teilchen – Teilchen Interaktionen • Streuung • Annihilation • und die Produktion neuer Teilchen • All Ereignisse entstehen durch – Colliding Beam Experiments – Fixed Target Experiments 4 Wechselwirkungen • Photonen – Compton Streuung – Photo Effekt – Paarbildung • Geladene Teilchen – Streuung (mit Atomen, Elektronen, etc. ) unerwünscht – Ionisation (Herausschlagen eines Elektrons) • Bethe-Bloch-Formel – Anregung/Excitation (Elektron in höheres Niveau Rückfall Lichtabstrahlung) • (z.B. Szintillatorlicht) – Photonabstrahlung • Bremsstrahlungg (beschleunigte ( g Ladungg strahlt Photonen ab)) • Übergangsstrahlung (transition radiation) • Cherenkov Licht (Überlichtgeschwindigkeit im Medium) • Hadronische Wechselwirkung Anregung/Excitation/Szintillation g g I i ti Ionisation – Starke Kernkraft – Inelastische nukleare Wechselwirkung γ • Geladene und ungeladene Hadronen e• Resultat: Kernfragmente (real gemessen werdenedie geladenen Fragmente) • Neutrinos N i p p p p – „Keine“ Wechselwirkung in Teilchendetektoren an Beschleunigerdetektoren – Signatur: Fehlende Energie (Missing Energy) 5 Ionisation: Bethe-Bloch-Formel Colombwechselwirkung C l b h l ik Energieverlust der Teilchen pro Wegstrecke Ionisation (Ionen, Elektron-Lochpaare können nachgewiesen werden) z … Ladung des einfallenden Teilchens Z, A … Ordnungszahl und Massenzahl des Targets ρ … Targetdichte, NA … Avogadrozahl I … mittleres Ionisationspotential (Materialkonstante des Targets) Wmax ... max. Energieübertrag in einer Einzelkollision δ … Dichtekorrektur (Polarisationseffekt, δ ≈ 2.lnγ + K ) C … Schalenkorrektur (wichtig für kleine P j ktil Projektilgeschwindigkeiten) h i di k it ) β: Geschwindigkeit/c Minimal ionisierendes Teilchen MIP 6 Teilchen Eigenschaften • Welche Eigenschaften g hat ein Teilchen? – – – – – – – Energie Impuls L d Ladung Masse Lebenszeit ebe s e (life ( e time) e) Spin Zerfallsmoden • Welche sind direkt messbar? 7 Teilchen Eigenschaften E ⎛ p1 ⎞ r ⎜ ⎟ p = ⎜ p2 ⎟ ⎜p ⎟ ⎝ 3⎠ ⎫ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪⎭ ⎛E⎞ ⎜⎜ r ⎟⎟ ⎝ p⎠ • Welche Eigenschaften können hergeleitet werden? Masse: Spin: r2 2 E = m ⋅c + p c ⇒ m = 2 2 4 r2 2 E −p c c2 2 etwas abstrakter aus der Winkelverteilung 8 Messen der Teilcheneigenschaften • Ladung – Richtung • Lifetime LBNL Image Lib brary Magnetfeld Entdeckung des Positron 1932 Carl Anderson, Noble Prize 1936 – Messe Strecke 9 Messen der Teilcheneigenschaften g • Impuls I l F = q ⋅v⋅ B =m⋅ v2 R r ⇒q⋅ B⋅ R =m⋅v = p • Geschwindigkeit - Flugzeitmessung: g g time of flight g TOF - RICH (siehe später) • Energie g - Kalorimeter 10 Das Prinzip am Beispiel eines TOP Quarks Theorie Realer Detektor CDF in Chicago Statistik Ereignis 11 Higgs Boson, ein Beispiel pp H ZZ µ µ µ 4µ Theorie µ Detektor CMS in Genf,CERN µ µ Ereignis, CMS µ Ereignis, ATLAS µ ATLAS 12 Schnitt durch den CMS Detektor Teilchen e c e Wechselwirkung Wec se w u g und u d Rekonstruktion e o s u o Jedem Teilchen “SEINEN” Detektor 13 Spurdetektoren (Spur: Impuls, Ladung, Zerfall) Kalorimeter (Energie) ECAL: Elektromagnetisches Kalorimeter HCAL: Hadron Kalorimeter Teilchenidentifikation Myonkammer (Spur, (Spur Myonnachweis) Vielzweckdetektor e ec dete to (Multipurposedetektor: alles zusammen) DETEKTORARTEN 14 • Nebel-, (Funken-), Blasenkammer HISTORISCHE SPURDETEKTOREN 15 Anderson und seine Nebelkammer “Historischer” Detektor: Nebelkammer – – Kammer mit saturiertem Wasserdampf Geladene Teilchen hinterlassen Ionen • – Sichtbare Spur kleiner Wassertropfen Photographie LB BNL Image Library – Wasser kondensiert an den Ionen UK K Science Museum • Nebelkammer (1911 by Charles T. R. Wilson, Noble Prize 1927) Stahlplatte Magnetfeld Positron Entdeckung des Positrons16 (1932 Carl Anderson, Noble Prize 1936) “Historischer” Detektor: Blasenkammer Siehe Nebelkammer: W Wasser im i Si Siedeverzug d ((anstatt t tt W Wasserdampf) d f) Geladenes Teilchen erzeugt Ionen Kondensation Spur Photographie Entdeckung des “Neutralen Stroms” Gargamelle Blasenkammer CERN N (1973 von der Gargamelle Kollaboration) 17 Die Soziale Komponente Das as Zeitalter e ta te der de „Scanning „Sca g Girls“ G s CERN Spiegel Projektor j 18 Scanning table (1972) Detektoren, geschichtlich • Nebelkammern dominierten bis in die 50er – Aktuell sehr populär in Ausstellungen ☺ • Blasenkammern hatten ihren Höhepunkt 1960 1960-1985 1985 – Letzte große Blasenkammer: Big European Bubble Chamber; zu besichtigen im CERN Mikrocosmos • DrahtD ht und dD Driftkammer iftk d dominierten i i t seit it d den 80 80er – Noch heute im Einsatz • Seit den frühen 90er sind Halbleiterdetektoren im Einsatz – – Zu Beginn: kleine Vertexdetektoren H t ~200 m2 Siliziumspurendetektor Heute Sili i d t kt iin CMS 19 Historische Detektoren Nebelkammer (Cloud Chamber) Blasenkammer (Bubble Chamber) Funkenkammer Gasdetektoren Festkörper- (Halbleiter-) Detektoren (Szintillator-Spurendetektor) SPURENDETEKTOREN HEUTE ELEKTRONISCHE DATENNAME 20 Detektieren nur geladene Teilchen Funktion von Spurendetektoren • Vermessung der Teilchenspur • Ermittle E ittl – Ladung – Impuls in Verbindung mit einem Magnetfeld • Spuren werden aus Raumpunkten rekonstruiert 21 Rekonstruktion der Spuren p CMS Spurdetektor aktuell im Test 22 Ionisationszähler (Geiger-Müller-Zähler) Proportionalkammer Vieldrahtproportionalkammer Driftkammer Zeitprojektionskammer Mik St if G d t kt Mikro-Streifen-Gasdetektoren Resistive Plate Chambers SPURENDETEKTOREN GAS 23 Ionisationszähler Kathode Signal + HV -+-++++ - ++ - ++ -- -- - + t = 0 t = t1 Gas gefüllte Röhre Signalentwicklung F.Sauli, CERN 77-09 • Lawinenbildung nahe der Anode • Signal proportional zur deponierten Energie 24 Entwicklung der Gasdetektoren • Geiger Geiger--Zähler Zähler: Binäre Antwort • Anzahl Teilchen • Jedes Teilchen gleiche Ladung • Proportionalzähler Proportionalzähler: – Primärionisation Sekundärionisation (Lawine) • Vieldrahtproportionalkammer p p – Viele Proportionaldrähte in einer Kammer • Anodendrähte wechseln mit Kathoden ab – Ortsauflösung (Spurenerkennung) – Nobelpreis: G. Charpak, 1992 25 MWPC ITC (ALEPH) Inner Tracking Chamber 26 Driftkammer • Standard Drahtkammern sind begrenzt in der Auflösung durch den minimalen Drahtabstand • Driftkammern weiten den Abstand und g die Driftzeit berücksichtigen – Natürlich muss die Zeit des Teilchendurchgangs bekannt sein 27 Kloe Driftkammer in Frascati 28 Zeitprojektionskammer (TPC) E - - + + B - + - - - + -+ + Drahtkammer misst i t r,φ φ z = vdrift t Maximierung der Driftzeit Nicht für große Raten geeignet Perfekt für (1) Elektron-Positron Kolider und (2) Schwerionen Kolider 29 ALICE TPC: courtesy of CERN Systeme werden größer und größer Nutzung industrieller Methoden zur Herstellung Strahlenhärte is wichtigg 30 Gasdetektoren ohne Drähte Cartesian Compass, LHCb MikrostreifenGaskammer 100 μm MSGC: Small angle 10 μm 50 μm • Strukturierte Ebenen statt Drähte • Dünne Kammern; HOCHspannung p g • Spezielle Feldkonfigurationen zur Gasverstärkung 140 μm Hexaboard, pads MICE Resitive Platechamber readout strips resistive electrode Micromegas: H V clusters gas gap E resistive electrode readout strips 2 mm GN D Mixed Totem 31 Myonen-”detektoren” Myonen passieren sowohl die Kalorimeter, Kalorimeter als auch das Magnetjoch alles außerhalb sind Myonen (abgesehen von Neutrinos) Gasdetektoren messen nun die Myonenspur im Magnetfeld ATLAS 1200 Myonen-Kammern mit 5500 m2 CMS Myonzylinder im Magnetjoch. Magnetjoch ATLAS Myon Endkappe. Myonendetektoren 32 TIMEPIX Chip: Add 3rd coordinate (TIME) and TOT TIME Mode determine time arrival of electron (clock ~ 48 MHz, 580 580--600 counts range ~ 400 ns) ns) Time Over Threshold (TOT) Mode possibility to evaluate cluster charge and to correct for timetime-walk (25 - 600 count range 800 - 35000 e -) Mixed Mode (both measurements at the same time) consecutive pixels are in TOT / TIME mode FINE GRANULARITY 3D TRACKING + TOT Information : • Superior p double track resolution • Benefit from TOT & TIME information simultaneously (correct timewalk using TOT) Hier mit Gasdetektor F kti i t aber Funktioniert b auch h mit anderen Sensors 14 mm Streifenzähler Pixel (Silizium-Drift-Sensor; DepFET, CCD, CMOS) HALBLEITERDETEKTOREN - SILIZIUM 34 Halbleiterdetektoren (Silizium) • Funktionsweise: Siehe Gasdetektoren ;;-)) – Ionisation im Festkörper, statt im Gas – Keine Ladungsverstärkung! • Ca. 1012 freie Ladungsträger gegenüber 108 erzeugte Ladungsträger (bei Ladungsverarmung nötig Zimmertemperatur) – Segmentierung / Strukturierung von Dioden, welche in Sperrrichtung betrieben werden! Ladungsverarmte Dioden 35 Funktionsweise Diode Verarmungsspannung E-Feld p n 36 Siliziumstreifendetektor von oben und u d Ihree Eigenschaften ge sc a te • Sehr kleine Streifenabstände möglich 20-200µm • Sehr gute Auflösung ~3-5µm • Sehr schnell 37 Braucht man so eine hohe Auflösung? Identifikation eines b-Quark Ereignisses ~3 mm = ~1ps = τb 38 Increase in precision =Beam crossing point 0 39 x 1cm Mean Lifetime of tau τ=290 x 10-15 sec !! --> cτ = 87 μm !? 40 DELPHI @ LEP DELPHI @ LEP nach 1997 CDF @ Fermilab in Chicago (nimmt aktuell Daten) 41 Blütenblätter & Stäbe & Leitern & Halbschalen: Wer baut denn so was? CMS halfshell ALICE ladder CMS petal LHCb TT ladder CMS rod d 42 Bis zu 14 Sensoren pro Leiter(4 Sensoren pro Hybrid) Der CMS Spurendetektor 206 m² Fläche 25.000 Siliziumsensoren 10Mio Streifen ≡ Elektronische Kanäle 75.376 Auslesechips 26.000.000 Bonds 37.000 Analog optische Links 3.000 km optische Fibern 43 44 ATLAS Endkappe ATLAS Barrel 3 45 46 Silizium-Pixel-Sensoren • Funktionsprinzip: siehe Siliziumstreifensensoren • Segmentierung: Pixel(l( dioden) statt Streifen(f ( dioden) – Elektronik aufgesetzt, um alle Pixel zu erreichen Streifen: Nur eine Koordinate, Pixel sind 2D Detektoren Sensor Draht-UltraschallVerschweißung “bonding” g “bump” bonding Kanäle: ~108 - 109 ECAL Elektromagnetisches Kalorimeter Elektronen und Photonen HCAL Hadronisches Kalorimeter Hadronen: Mesonen(z.B. Pionen) Baryonen (z (z.B. B Protonen) KALORIMETER (ENERGIEMESSER) 47 Aufgabe eines Kalorimeters • Messungg der Energie g durch totale Absorption p (destruktiv) • Detektorantwort ~ E für – Geladene l d Teilchen l h • Elektronen/Positronen und Hadronen – Neutrale Teilchen ((n,, γ) • Prinzipielle Funktionsweise: – Elektromagnetische Schauer – Hadronische Schauer • Konversion in Ionisation oder Anregung des Detektormaterials Strom Spannung Strom, 48 Elektromagnetischer Schauer Bremsstrahlung (γ Abstrahlung) Lead atom Paarbildung (Elektron-Positron) usw. Bis die Energie aufgebraucht ist ;-) 49 Strahlungslänge: X0 = Länge bei der ein Elektron 1/e seiner Energie durch Bremsstrahlung verliert Hadronisches Kalorimeter • K Kaskade k d mit i elektronischer l k i h und dh hadronischer d i h Komponente 50 Kalorimeter und Schauer Wie misst man nun die Energie? Photon-induzierter Ph t i d i t SSchauer h iin einer i N Nebelkammer; b lk die schwarzen Bereiche sind Blei-Platten; senkrecht zur Bildebene wirkt ein Magnetfeld Die Energie ist nun proportional zur Lichtmenge & Eindringtiefe des Schauers Dies ist nun mit bloßem Auge etwas mühselig ;-( 51 Also müssen wir die Lichtmenge und Wegstrecke elektronisch messen! Szintillator: Funktionsweise Totalreflektion Photomultiplier/Sekundär-Elektronenvervielfacher: Konvertiert Licht in ein elektronisches Signal Szintillator 52 Teilchendurchgang Atomanregung γ Abstrahlung Führung zur Photokathode Photoeffekt Primärelektron Vervielfachung via Dynoden unter Spannung 53 CMS Hadron Kalorimeter Lichtleiter im Szintillator, um das Licht zum Photomultiplier zu führen. 54 Kalorimeter Homogenes g Kalorimeter Sampling Kalorimeter Szintillator wechselt mit Absorbermaterial Lichtleiter & PM Sampling Kalorimeter 55 CMS ECAL in der Kaverne 2007 56 ALEPH ECAL Pionen El kt Elektron 57 Myonen Ph t Photonen 58 TOF (Time Of Flight / Flugzeitmesser) RICH ((Ringg Image g Cherenkov Counter)) Überlichtgeschwindigkeit! Geht das? dE/d (Energieverlustmessung dE/dx (E i l t pro St Strecke) k ) PARTICLE ID TEILCHENIDENTIFIZIERUNG Impuls & Geschwindigkeit? 59 Masse (Identität) Exkurs: Geschwindigkeit durch Vermessung einer Schockwelle! Geschwindigkeit des Geschosses? c/v = cosθ Siehe Bild: Winkel 52o, v = c/cosθ = 340m/s / cos52o = 552m/s 60 Siehe auch Mach‘scher Kegel beim Überschallflugzeug Cherenkov Strahlung Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit 1. Grundlegend: Durchgang eines geladenen Teilchens Atomanregung Photonenabstrahlung 2. Teilchengeschwindigkeit größer als die 1 „Lichtgeschwindigkeit im Medium“ Medium cMedium = cVakuum n 3. Schockwelle v cMedium cVakuum 1 M di V k v= = cos α n cos α 4 Abbildung des Kegels auf einen Kreis im bestimmten 4. Abstand α v 61 2 unterschiedliche Radiatoren = 2 Impulsbereiche 62 LHC ALICE RICH Installation 63 LHCb RICH System test 64 DELPHI Teilchen Identifikation TPC Bethe-Bloch: dE/dx ~ v (β) Liquid RICH Gas RICH http://delphiwww.cern.ch/delfigs/export/pubdet4.html DELPHI, NIM A: 378(1996)57 65 Wiederholung: Ort und Aufgabe der einzelnen Detektoren Vielzweckdetektoren – Multipurpose 66 Exkurs: Der Perfekte Detektor • Sollte alle Wechselwirkungen und alle Teilchen mit 100% Effizienz rekonstruieren ohne ihre Eigenschaften zu ändern – – – – – • • Mit unbegrenzter Auflösung und für alle Energien, Impuls, Teilchen gleich Er muss den gesamten Raumbereich von 4π lückenlos abdecken Alle Teilchen sollten direkt identifizierbar sein Einfacher Zugang zur Wartung Strahlenhart Dann wären D ä wir i iin d der LLage alle ll W Wechselwirkung h l ik di kt mit direkt it d der th theoretischen ti h Vorhersage zu vergleichen Warum geht das nicht? – Effizienz: Effi i • Nicht alle Teilchen werden nachgewiesen “Weundetektiert have decided now to identify • Löcher, Spalten erlauben Teilchen den Detektor zu verlassen the particle species by a bar code!” • Rauschen: Kanäle sprechen statistisch auch ohne Wechselwirkung an – Wechselwirkung • Jede Wechselwirkung ändert die Teilcheneigenschaft (siehe Kalorimeter): Eigentlich sollten alle Kabel, Kühlleitungen, Trägerstrukturen masselos sein, damit keine ungewollte Streuung passiert Zugang 67 • – • Großdetektoren sind wie Satellitenexperimente – Bestrahlt, sehr kompakt und kompliziert; Wartung ist faktisch nicht möglich (oder nur sehr schwer) Magnet Konfigurationen der LHC Experiments Solenoid B (air-core) Toroid B Imagnet coil Imagnet + Starkes homogenes Feld in der Spule - Großes Eisen Eisen-Rückführjoch Rückführjoch notwendig - Größe Limitiert (Kosten) - Spulendicke (Strahlungslänge) CMS, ALICE, LEP Detektoren + großes Volumen + „„Luftkern“,, kein Eisen,, wenigg Material -Zusätzlicher Solenoid im Innern nötig -- inhomogenes Feld -Komplexe Struktur ATLAS µ µ 68 ATLAS und CMS Spulen CMS Solenoid (5 Segmente) ATLAS Toroid Spulen Herbst 2005 69 Coil Assembly in Surface Hall (Aug05) 70 Exploded View of CMS CALORIMETERS SUPERCONDUCTING COIL ECAL Scintillating PbWO4 crystals t l HCAL Plastic scintillator/brass sandwich IRON YOKE TRACKER Silicon Microstrips p Pixels Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m M Magnetic ti fi field ld : 4 TTesla l MUON MUON BARREL Drift Tube Chambers Resistive Plate Chambers ENDCAPS Cathode Strip Chambers Resistive Plate Chambers 71 72 73 Der Mittelteil des CMS Detektors auf der Reise in die Kaverne 74 ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ~7'000 t main assembly in cavern 22 m 44 m 75 Reichen Beschleuniger und Detektoren? Was brauchen wir noch? • Infrastruktur – Elektronik, Elektronik, Elektronik • Kabel, Kabel, Kabel (Logistik) • E.g. PC, Kühlung, Gas, Werkstätten, … • E.g. schnelle h ll ADCs, Controller ll Spannungsversorgung, Kabel, b l … • • • • • • • Trägerstrukturen Kontrollsoftware Auslesesoftware und Speicherung Analysesoftware der gespeicherten Daten Monte Carlo (Simulation) Jede Menge Menschen!!!!!! … 76 Ein Beispiel: Completion of Services on YB0 Nov. ‘07 Estimated ~50,000 man-hours of work in last 5 months!! Scale of the project (huge): – Install 18 km of Tk cooling pipes with specia insulation and wvb. – Install over 1 km of cables trays y (many ( y types): • • • • – – – – – Standard Cooled Tk radial Cooled EB-LV radial Cooled EB-LV periphery Install 100 km of tracker LIC cables Install 80 km of EB cables, optical fibers and pipes Install 19 km of HB cables, optical fibers and pipes Install 30 km of Tk optical fibers About 6,100 cables, 700 optical fiber cables/bundles, 700 pipes for a grand total of about 250km and tens of thousands connection! Chips & Module (Im Prinzip eine eigene Vorlesung) • Nicht zu vergessen g ist,, dass meistens die komplette p Elektronik eine Eigenentwicklung ist! – Chips und Treiberkarten werden speziell auf die Experimente zugeschnitten • Zeitkonstanten, Strahlungsumgebung, g g g Magnetfeld g muss berücksichtigt g werden • Kapazitäten, Ströme, Spannungen, … Rahmen aus K hl f Kohlefaser Mikroverschweißungen Ein Beispiel: Bei Ereignissen alle 25ns haben die Teilchen eines Aufpralls den Detektor (mit v=c) noch nicht verlassen bevor der nächste Aufprall passiert. D.h. Der Zeitstempel muss sehr genau sein und die Chips am Sensor müssen Informationen eine Weile speichern Sensoren Kapton Schaltkreis Front-end Hybrid y Chips 78 Pitch adapter (glass ATLAS: Infrastruktur & Installation Cryogenic plant fertig und abgenommen 79 Kaverne und Basisinfrastruktur schon seit 2003 Das Endkappen Kalorimeter auf dem Weg nach unten 80 CMS: Kaverne und Gebäude SCX SX5 SDX Infrastruktur: z.B. PCs, Auslesemodule 4 stöckig USC UXC Experiment Kaverne 81 CMS Trigger and DAQ Alle 25 ns 40 MHz COLLISION RATE Detectors Charge Time Pattern 16 Milli Million channels 3 Gigacell buffers 100 kHz LEVEL-1 TRIGGER Energy Tracks DAQ akzektiert Level-1 Rate of 100kHz 1 Megabyte EVENT DATA 1T Terabit/s bit/ 200 Gi Gigabyte b BUFFERS (50000 DATA CHANNELS) 500 Gigabit/s 500 Readout memories Networks EVENT BUILDER. A large switching network (512+512 ports) with a total throughput of approximately 500 Gbit/s forms the interconnection between the sources (Readout Dual Port Memory) and the destinations (switch to Farm Interface). The Event Manager collects the status and request of event filters and distributes event building commands (read/clear) to RDPMs HLT (High Level Trigger) entworfen für ca. 100Hz 5 TeraIPS - Unterdrückung Faktor 1000 EVENT FILTER. It consists of a set of high performance commercial processors organized into many farms convenient for on-line and off-line applications. The farm architecture is such that a single CPU processes one event ~2000 CPUs Gigabit/s SERVICE LAN Computing services Petabyte ARCHIVE 82 Trigger & DAQ Große Anstrengungen wurden d in d den lletzten Jahren unternommen um die Datennahme zu validieren. Mit Hilfe von Prototypen und Emulatoren. 1:8 Datannahmesystem an P5 des CMS Experimentes p 83 Von Physik zu Rohdaten • Rohdatenrate in ATLAS/CMS beträgt ca. 400MB/s • ZZ.B. B N Nummer eines i D Detektors, k dessen d ADC (A (Analog l to Digital) eine Signalwert X 84 Von Rohdaten zur Physik • Auch A h der d W Weg von den d R Rohsaten h zur Ph Physik ik muss verstanden d sein! i ! – Rekonstruktion+ Analyse der Ereignisse 85 Ausblick 86 Acknowledgements • • • • • • • • Christian Joram Particle Detectors; Lectures for Postgraduates Students and Summer Students, CERN 1998, 2003, 2005 Sascha Schmeling High Schools Teachers Program CERN 2003-2006 Michael Hausschild Detectors; Doktoranden Herbstschule Maria Laach Thomas Müller: Teilchenphysik Vorlesung Uni Karlsruhe Freunde & Bekannte & Collaborators M. Titov (VCI 2007) : New Developments and Future Perspectives of Gaseous D t t Detectors Peter Križan (VCI 2007) Detectors for Particle Identification http://www-ekp.physik.unihtt // k h ik i karlsruhe.de/~hartmann/CMS_Status_Seminar_Bonn1207.ppt 87 Backup 88 Zusammenfassung 89 Die historischen Teilchenstrahldetektoren FFunkenkammer: k k Elektronischer Detektor Teilchen erzeugen g „Ionisationsbrücke“ „ Position dieser Durchschläge g optisch oder durch elektronische Methoden ermittelt Versagen bei zu vielen gleichzeitig ankommenden Teilchen 90 Final front end hybrids 4l 4-layer Kapton K t substrate b t t (flex) (fl ) laminated l i t d onto t ceramic i 4 or 6 APV25 readout chips radiation hard commercial 0.25 m CMOS technology 128 strips per APV APV, multiplexed to one analog output per channel: pre-amplifier, CR-RC shaper, 4.8 s pipeline Detector Control Unit (DCU) 12-bit ADC 8 channels: - hybrid and sensor p temperatures - leakage current - low voltages 2:1 multiplexer 2 APV APVs multiplexed li l d to one readout channel PLL chip decodes clock & trigger signals Analog & optical readout! 91 Resistive Plate Chambers (RPC) • There are also gaseous detectors without wires – – two resistive plates (~109 cm) with a small gas gap (2 mm) and large high voltage (12 kV) on outside electrodes strong E-field: operation in “streamer mode” • • • • gas avalance already starting in gas gap (no wires involved) developing of “streamers” (blob with lots of charge, almost like a spark) signal on external read-out strips via influence (segmented for position resolution) streamer/discharge is “self-quenching”: stops when near-by resistive electrodes are locally discharged (E-field breaks down) readout strips resistive electrode Advantages: simple device, good to cover large areas, VERY fast!!! H V clusters gas E ga p resistive electrode readout strips Bakelite, glass 2 mm used as trigger devices in LHC experiments, time resolution ~ 50 – 100 ps GN D Disadvantages: Choice of resistive material + surface quality crucial, affects “dark” trigger rate 92 Elastic Scattering • Most basic interaction of a charged particle in matter Hans Geiger = Ernest Rutherford UK Science Museum elastic scattering with a nucleus R th f d (C Rutherford (Coulomb) l b) scattering tt i – d d = 4 z Z r 2e mec p 2 1 s in 4 /2 • Approximations • • UK Science Musseum z non-relativistic non relativistic no spins • Scattering angle and energy transfer to nucleus usually small • • No (significant) energy loss of the incoming particle Just change of particle direction 93 Transition Radiation • Predicted by Ginzburg and Franck in 1946 – – emission of photons when a charged particle traverses through the b boundary d off ttwo media di with ith diff differentt refractive f ti iindex d vacuu mediu (very) simple picture m m • • • charged particle is polarizing medium polarized medium is left behind when electro particle leaves media and enters n unpolarized vacuum W formation of an electrical dipol with (transition) radiation • Radiated energy per boundary – Simulated emission spectrum only very high energetic particles can radiate significant energy of a CH foil stack 2 • need about > 1000 – in our present energy range reachable 1 N with photons EM ≈ 137 37 radiate need many boundaries foam) – but probability to emit(foils, photons still small to get a few photons photon energy maximum in X-ray region (8 keV) accelerators only electrons can 94 95
